James Webb Space Telescope: uno sguardo lontano nello spazio e nel tempo

Roberto Campagnola : 14 Gennaio 2022 06:40

Autore: Roberto Campagnola
Data Pubblicazione: 13/01/2022

Il 2021 si è concluso con un evento molto atteso dalla comunità scientifica: è stato lanciato il James Webb Space Telescope della NASA, dedicato al direttore dell’agenzia spaziale americana durante il programma Apollo. Il progetto è partito a metà degli anni ’90, e ha subìto continui ritardi, rinvii e aggiornamenti dovuti principalmente alla complessità del telescopio, costato in totale circa 12 miliardi di dollari.

Previsto inizialmente per il 2007, il lancio è stato ritardato fino allo scorso 25 dicembre, quando dallo spazio-porto di Kourou nella Guyana francese, il razzo Ariane5 fornito dall’ESA si è sollevato fornendo la spinta necessaria per portare in orbita il JWST, che da lì proseguirà autonomamente fino al punto lagrangiano L2, distante 1,5 milioni di chilometri dal nostro pianeta.

Il punto lagrangiano L2 è un punto specifico dell’orbita del sistema di 3 corpi, costituito in questo caso da Terra-Sole-Webb, in cui le forze di attrazione gravitazionale e la forza centrifuga si bilanciano, permettendo al Webb di compiere un’orbita periodica intorno al punto (chiamata orbita halo), a meno di correzioni di assetto dovuta all’instabilità intrinseca della posizione. Il punto L2 è infatti un punto di equilibrio instabile per il sistema di tre corpi.

I punti lagrangiani in un sistema a tre corpi. Le frecce colorate indicano la direzione del gradiente del potenziale generalizzato del campo.

La distanza operativa di JWST non permetterà alcun tipo di riparazione in caso di guasti, ed è quindi necessario che tutte le operazioni di commissioning durante i 29 giorni di viaggio vadano secondo i programmi. Il “predecessore” del Webb, l’Hubble Space Telescope, lanciato nel 1990 e posizionato a circa 600 km di quota fu oggetto di varie missioni di manutenzione ordinaria e straordinaria (la più famosa e complessa nel 1993, quando fu corretto un difetto allo specchio primario).

Tali missioni sono state possibili grazie al Programma Space Shuttle, ma la quota di 600 km è già al limite delle nostre possibilità tecniche; al momento non abbiamo tecnologia disponibile per portare un equipaggio umano così lontano in caso di guasto del Webb (ricordiamo che il punto più lontano fino a cui ci siamo spinti nell’esplorazione spaziale con equipaggio è..la Luna, ad una distanza di 380000 km).

Un occhio all’infrarosso

Il JWST è il successore di Hubble e anche se ormai da Terra siamo diventati bravissimi a correggere i difetti che la nostra atmosfera causa alle osservazioni astronomiche, grazie a software sempre migliori e ottiche adattive, un telescopio nello spazio rimane sempre la scelta migliore anche se immensamente difficile da attuare.

Il JWST (100 volte più potente di Hubble e con uno superficie primaria quasi 8 volte più grande) ha uno specchio principale di 6.6 metri di diametro, il più grande mai lanciato nello spazio, formato da 18 moduli esagonali, ognuno di essi dotato di un sistema per garantire con perfezione nanometrica l’allineamento necessario per le osservazioni.

I segmenti dello specchio sono in berillio, materiale che garantisce ottime performance nello spazio grazie alle caratteristiche di alta rigidità, leggerezza e resistenza alle bassissime temperature. Per assicurare riflessione ottimale della luce infrarossa incidente lo schermo è rivestito da uno strato di oro.

I moduli esagonali sono ripartiti in tre sezioni, una centrale e due laterali che possono essere ripiegate, e questa costituisce già una caratteristica unica nel suo genere: lo specchio ovviamente deve essere grande per raccogliere più luce possibile ma è troppo grande per poter essere trasportato aperto all’interno di un razzo, quindi si è scelto di ripiegare il telescopio su se stesso e dispiegarlo durante il percorso verso il punto L2, una soluzione mai tentata prima.

JWST piegato, pronto per essere alloggiato all’interno dell’Ariane5

Il telescopio avrà il suo range di osservazione nel vicino infrarosso e nel medio infrarosso, due bande ottiche non sfruttate da Hubble che osservava principalmente nel visibile e nel ultravioletto e debolmente nel vicino infrarosso.

Operare a queste lunghezze d’onda permette di vedere sempre più lontano nello spazio e quindi nel tempo: per effetto dell’espansione dell’Universo la lunghezza d’onda della luce che arriva ai nostri occhi e ai nostri strumenti sarà maggiore rispetto a quando è stata emessa, un fenomeno chiamato redshift.

Attualmente la luce proveniente dagli oggetti più lontano e più antichi dell’Universo è nella banda infrarossa dello spettro elettromagnetico; grazie al telescopio Webb saremo in grado di osservare oggetti che hanno una età di circa 13,5 miliardi anni, periodo in cui si formarono le prime galassie.

Inoltre, la radiazione infrarossa riesce ad oltrepassare più facilmente le nubi di gas e polveri presenti nel cosmo e questo garantirà delle osservazioni e dei risultati scientifici senza precedenti. Sarà possibile inoltre studiare esopianeti e la loro atmosfera, come si sono formati sistemi planetari (compreso il nostro), e la formazione ed evoluzione di galassie e buchi neri.

JWST durante la fase di test, con lo schermo primario parzialmente dispiegato e lo scudo termico esteso

Lo scudo termico

Il JWST è dotato anche di un imponente scudo termico (21,2 m x14,2 m, le dimensioni approssimative di un campo di tennis) costituito da 5 strati di kapton, un materiale plastico che offre una grande stabilità termica e strutturale alle sollecitazioni termiche, ed è in grado di resistere alle escursioni di temperatura tra –269°C e +400°C.

Il telescopio ha bisogno di questo scudo termico per ripararsi dalla luce e dal calore solare: operando nell’infrarosso infatti è necessario che la sua ottica sia al riparo dalle calore che è radiazione elettromagnetica infrarossa che quindi interferirebbe con le osservazioni.

Mentre la parte ottica deve rimanere nell’oscurità (sarà esposta ad una temperatura di -233°C), è invece necessario che la parte elettronica con i sensori e gli strumenti di controllo, navigazione ed alimentazione, sia esposta alla “luce” ad una temperatura di circa 80°C.

Rendering di come apparirebbe Webb nello spazio. Credit: Doug Ellison

Durante i 29 giorni di viaggio per raggiungere L2 il Webb dovrà affrontare circa 340 single-point failure, 340 operazioni della tabella di marcia, ognuno dei quali in caso di fallimento potrebbe rappresentare la fine per l’intera missione.

Al momento in cui scriviamo (13 gennaio 2022) lo scudo termico è stato esteso e tensionato, lo specchio primario e secondario sono stati dispiegati, si sta procedendo all’allineamento dei singoli segmenti, e circa il 75% dei single point failure sono stati superati.

Mockup del JWST (dimensioni reali)

Una volta giunto a destinazione JWST non sarà completamente operativo. Dopo le operazioni di dispiegamento effettuate durante il viaggio saranno necessari circa 5 mesi per il raffreddamento dei sistemi e la piena operatività di tutti gli strumenti, e poter iniziare la sua attività di osservazione.

Il vettore Ariane5

Il Webb è principalmente un’opera statunitense, ma in collaborazione con Agenzia Spaziale Canadese ed ESA la quale, oltre a fornire uno degli strumenti usati dal telescopio, si è impegnata in una delle fasi di maggior responsabilità: il lancio. L’Ariane 5 era l’unico vettore che combinava una baia di carico grande a sufficienza da ospitare il Webb e soprattutto efficienza, sicurezza e affidabilità garantite nei lanci spaziali.

Ariane5, come da attese, si è comportato in maniera perfetta, anzi forse più che perfetta: le manovre di lancio hanno permesso al Webb di risparmiare combustibile, e questo estenderà la sua vita operativa a 10 anni, rispetto ai 5 pianificati, ma conoscendo gli esperti NASA scommettiamo che se tutto andrà nel verso giusto i 10 anni saranno ampiamente superati.

Il decollo dell’Ariane 5 da Kourou

Dal giorno di Natale l’Uomo ha un osservatore speciale in più nel Cosmo, e non vediamo l’ora di poter ammirare le prime immagini.

Photo credit:

NASA

ESA

Doug Ellison: twitter @doug_ellison

Roberto Campagnola
Laureato in fisica delle particelle, attualmente assegnista di ricerca presso i Laboratori Nazionali di Frascati-INFN e il CERN, si occupa dell’upgrade dell’esperimento CMS – Compact Muon Solenoid per il Large Hadron Collider.